1 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Peer-to-Peer- Netzwerke Christian Schindelhauer Sommersemester.

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1 1 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Peer-to-Peer- Netzwerke Christian Schindelhauer Sommersemester 2006 14. Vorlesung 23.06.2006

2 Peer-to-Peer-Netzwerke 14. Vorlesung - 2 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Evaluation der Lehre im SS2006  Umfrage zur Qualitätssicherung und -verbesserung der Lehre –unter den Studierenden –in anonymer Form –Online-Fragebogen oder zum Ausdrucken  http://www.informatik.uni-freiburg.de/~welte/lehrevaluation/ss2006/lehrevaluation.html  Frist bis zum 30. Juni (das ist nächste Woche...)  Sprechstunde: –Dienstag 14-15 Uhr

3 Peer-to-Peer-Netzwerke 14. Vorlesung - 3 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Inhalte  Kurze Geschichte der Peer-to-Peer- Netzwerke  Das Internet: Unter dem Overlay  Die ersten Peer-to-Peer-Netzwerke –Napster –Gnutella  CAN  Chord  Pastry und Tapestry  Gradoptimierte Netzwerke –Viceroy –Distance-Halving –Koorde  Netzwerke mit Suchbäumen –Skipnet und Skip-Graphs –P-Grid  Selbstorganisation –Pareto-Netzwerke –Zufallsnetzwerke –Metrikbasierte Netzwerke  Sicherheit in Peer-to-Peer-Netzwerken  Anonymität  Datenzugriff: Der schnellere Download  Peer-to-Peer-Netzwerke in der Praxis –eDonkey –FastTrack –Bittorrent  Peer-to-Peer-Verkehr  Juristische Situation

4 Peer-to-Peer-Netzwerke 14. Vorlesung - 4 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Gradoptimierte Netzwerke Koorde von Kaashoek und Karger 2003

5 Peer-to-Peer-Netzwerke 14. Vorlesung - 5 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Erreichbarer Durchmesser bei Grad logn  CHORD: –Grad O(log n) –Durchmesser O(log n)  Kann mit Grad g=O(log n) ein kleinerer Durchmesser d erreicht werden? –In Abstand 1 sind g Knoten –In Abstand 2 sind höchstens g 2 Knoten –... –In Abstand d sind höchstens g d Knoten  D.h.  Daraus folgt:  Also höchstens geringe Verbesserung des Durchmessers möglich

6 Peer-to-Peer-Netzwerke 14. Vorlesung - 6 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Gibt es P2P-Netzwerke mit Grad 2 und Durchmesser log n  CHORD: –Grad O(log n) –Durchmesser O(log n)  Kann mit Grad g=2 der Durchmesser O(log n) erreicht werden?  Ja! –z.B. Binärbaum, Butterfly, DeBruijn-Graph,...  Was sind eigentlich DeBruijn-Graphen?

7 Peer-to-Peer-Netzwerke 14. Vorlesung - 7 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Shuffle, Exchange, Shuffle- Exchange  Betrachte Binärstring S der Länge m –Shuffle-Operation: shuffle(s 1, s 2, s 3,..., s m ) = (s 2,s 3,..., s m,s 1 ) –Exchange: exchange(s 1, s 2, s 3,..., s m ) = (s 1, s 2, s 3,..., ¬s m ) –Shuffle-Exchange: SE(S) = exchange(shuffle(S)) = (s 2,s 3,..., s m, ¬ s 1 )  Beobachtung: Jeder String A lässt sich in einem beliebigen String B durch m-faches Anwenden von Shuffle und Shuffle- Exchange-Operationen umwandeln Shuffle Exchange Shuffle-Exchange

8 Peer-to-Peer-Netzwerke 14. Vorlesung - 8 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Abrakadabra  Beobachtung: Jeder String A lässt sich in einem beliebigen String B durch m-faches Anwenden von Shuffle und Shuffle- Exchange-Operationen umwandeln Beispiel: Aus0 1 1 1 0 1 1 mach 1 0 0 1 1 1 1 durchSE SE SE S SE S S Operationen SE S S S

9 Peer-to-Peer-Netzwerke 14. Vorlesung - 9 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Der DeBruijn-Graph  Ein DeBruijn-Graph besteht aus n=2 m Knoten, –dargestellt als m-stellige Binärzahlen  Jeder Knoten hat zwei ausgehende Kanten –1. Kante zeigt von u auf shuffle(u) –2. Kante zeigt von u auf SE(u) Lemma –Der DeBruijn-Graph hat Grad 2 und Durchmesser log n  Koorde = Ring + DeBruijn-Graph

10 Peer-to-Peer-Netzwerke 14. Vorlesung - 10 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Koorde = Ring + DeBruijn- Graph  Betrachte Ring aus 2 m Knoten und DeBruijn-Kanten

11 Peer-to-Peer-Netzwerke 14. Vorlesung - 11 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Koorde = Ring + DeBruijn- Graph  Betrachte Ring aus 2 m Knoten und DeBruijn-Kanten  Beachte: –shuffle(s 1, s 2,..., s m ) = (s 2,..., s m,s 1 ) d.h.: –shuffle (x) = (x div 2 m-1 )+(2x) mod 2 m –SE(S) = (s 2,s 3,..., s m, ¬ s 1 ) d.h. –SE(x) = 1-(x div 2 m-1 )+(2x) mod 2 m Daraus folgt: –Die Nachfolger von x sind 2x mod 2 m und 2x+1 mod 2 m und

12 Peer-to-Peer-Netzwerke 14. Vorlesung - 12 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Virtuelle DeBruijn-Knoten  Um Kollisionen zu vermeiden muss für n Peers m wie folgt gewählt werden m > (1+c) log (n)  Dann ist die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Peers den gleichen Knoten erhalten höchstens n -c  Dann gibt es aber wesentlich mehr Peers als DeBruijn-Knoten  Lösung: –Jeder Peer verwaltet alle DeBruijn- Knoten bis zu seinem Nachfolger auf dem Ring –Nur bezüglich eingehender Kanten –Ausgehende Kanten werden nur vom Peer betrachtet

13 Peer-to-Peer-Netzwerke 14. Vorlesung - 13 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Eigenschaften von Koorde  Theorem –Jeder Knoten hat vier Zeiger –Auf jedem Knoten zeigen mit hoher W‘keit höchstens O(log n) Zeiger –Der Durchmesser ist mit hoher W‘keit O(log n) –Suche kann mit hoher W‘keit mit O(log n) Nachrichten durchgeführt werden.  Aber: –Keine Stabilisierungstrategie bekannt –Zusammenhang des Koorde-Graphen ist sehr klein

14 Peer-to-Peer-Netzwerke 14. Vorlesung - 14 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Eigenschaften von Koorde  Theorem 1. Jeder Knoten hat vier Zeiger 2. Auf jedem Knoten zeigen mit hoher W‘keit höchstens O(log n) Zeiger  Beweis: 1. folgt aus Definition DeBruijn-Graph und daher, dass Koorde keine Zeiger der virtuellen Knoten im Peer berücksichtigt 2. – Der Abstand zum nächsten Peer ist höchstens c (log n)/2 m mit hoher W‘keit – Die Strecke von der Peers auf diese virtuellen Knoten zeigen können ist daher höchstens c (log n)/2 m lang – Darin befinden sich mit hoher Wahrscheinlichkeit höchstens O(log n) Peers

15 Peer-to-Peer-Netzwerke 14. Vorlesung - 15 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Eigenschaften von Koorde  Theorem –Der Durchmesser ist mit hoher W‘keit O(log n)  Beweisidee: –Starte mit Pfad der Länge m mit Hilfe der virtuellen DeBruijn-Knoten –Suche verantwortliche Peers und deren Nachbarn und bette Pfad entsprechend ein –Wodurch kann ein Pfad auf k + 3log n Sprünge verlängert werden? Wenn zwischen virtuellen Knoten und Peer insgesamt mindestens k Peers liegen Die erwartete Anzahl ist aber pro Sprung konstant. Setze k = c log n und wende Chernoff-Schranke an.  Beweisidee: zu Suche benötigt O(log n) Sprünge –analog

16 Peer-to-Peer-Netzwerke 14. Vorlesung - 16 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Der Grad-k-DeBruijn-Graph  Betrachte nun Alphabet über k Buchstaben, z.B. k = 3  Jeder k-DeBruijn-Knoten x habe Nachfolger –(kx mod k m ), (kx +1 mod k m ), (kx+2 mod k m ),..., (kx+k-1 mod k m )  Durchmesser verkürzt sich auf (log m)/(log k)  Graphzusammenhang erhöht sich auf k

17 Peer-to-Peer-Netzwerke 14. Vorlesung - 17 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer k-Koorde  Natürliche Verallgemeinerung von Koorde  Verbesserung der Suche auf O((log n)/(log k))  Aber Stabilisierungsalgorithmus nicht bekannt

18 18 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Ende der 14. Vorlesung Peer-to-Peer-Netzwerke Christian Schindelhauer